偏光显微镜在物理化学中被用于方位角旋转的测定和双折射介质中相位差的测定。而它的zui的定量应用是在矿物学和岩石学中光轴的准确断定，在双折射基础上晶体的鉴定是岩石学和矿物学中大量的、经常的工作。而在生物学和医学中偏光显微镜被广泛应用的可能性是比较小的，部分是因为生物学标本的各向异性比起无机物标本是比较小的。另外，具有多于一个光轴的物质在生物学中也很少发现。

    在生物体中，不同的纤维蛋白，例如胶原蛋白、弹力纤维(在—定的条件下)、张力纤维和肌肉中的肌原纤维等结构显示出明显的各向异性，它们都具有在长轴上的双折射性。这些蛋白质在应用其他技术测定之前，已经使用偏光显微镜得到了在这些纤维中分子排列的详细情况。同样，用电子显微镜已经看到的神经周围由脂类和蛋白质组成的髓鞘的可变双分子膜层结构，现在已用偏光显微镜非常地证实了，采用部分交叉的棱镜观察苏木精染色的人延髓神经细胞切片时，在常规显微镜下不明显的细胞间神经纤维的双折射髓鞘变得十分明显。

    对于具有晶体构造的生物学材料，例如淀粉粒，应用偏光显微镜也可以进行观察。同时，利用偏光显微镜还可以研究动物和植物的活体细胞，zui近纺锤丝的比较微弱的双折射性质(起因于纺锤丝微管中蛋白质分子的定向排列)．已经在很大程度上被用来研究细胞在不同分裂时期结构上的定性和定量变化，并且使用具有高消光值的偏振棱镜和较强的光源，用缩时摄影可以记录分裂周期中纺锤体的变化。在一些特殊的生物学材料中，例如具有高双折射的内耳平衡器中的听石，就会显示出清晰的偏振光效应，下图为老鼠胚胎内耳平衡器中的听石切片。